Kuonan pisaroitumisen ja kuonan pelkistyksen mallinnus CAS-OB-prosessissa

Väitöstyössä on kehitetty matemaattinen malli CAS-OB-prosessin kuonan pelkistysvaiheessa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden ja lämmönsiirron kuvaamiseen. CAS-OB-prosessi (Composition Adjustment by Sealed argon bubbling – Oxygen Blowing) on teräksen kemialliseen lämmittämiseen ja seostukseen kehitetty senkkakäsittelyprosessi. Teräksen lämmittäminen tapahtuu polttamalla alumiinia teräksen pinnalla kellolaitteiston alla. Lämmitysvaiheessa hapettuu teräkseen liuenneita seosaineita teräksen pinnalla olevaan kuonaan ja sulkeumiin. Seosainesaannon parantamiseksi suoritetaan lämmitysvaiheen jälkeen pelkistyshuuhtelu, jonka avulla seosaineet pyritään pelkistämään takaisin teräkseen. Pelkistys tapahtuu lämmitysvaiheessa teräkseen liuenneen alumiinin vaikutuksesta.

Pelkistysvaiheessa terästä sekoitetaan voimakkaasti argon-puhalluksella senkan pohjassa olevien huuhtelutiilien kautta. Pohjapuhallus aiheuttaa senkkaan kiertävän teräsvirtauksen, joka puhkaisee pintakuonaan avoimen silmäkkeen. Teräsvirtaus irrottaa silmäkkeen reunoilta kuonapisaroita ja teräksen ja kuonan välinen pinta-ala kasvaa. Pinta-alan kasvulla on suuri merkitys pelkistysreaktioille, sillä se vahvistaa merkittävästi kuonan ja teräksen välistä aineensiirtoa.

Väitöstyössä kehitettiin laskennallista virtausdynamiikkaa käyttäen malli, jonka avulla voitiin määrittää kuonan ja teräksen välisen pinta-alan suuruus pohjapuhalluksen aikana. Tätä mallia hyödynnettiin varsinaisessa pelkistysvaiheen reaktiomallissa. Pelkistysmallissa on huomioitu pelkistysvaiheen oleellisimmat reaktiot ja lämmönsiirto. Mallin validoinnissa havaittiin, että sillä voidaan luotettavasti ennustaa kuonan ja teräksen loppukoostumukset ja teräksen lämpötila.